大跨度桥梁缆索结构用钢丝及制品特点初探

大跨度桥梁缆索结构用钢丝及制品特点初探信息来源：冶金信息网收集整理发表时间：2011年12月12日1．概述大跨度桥梁的缆索系统是现代悬索桥、斜拉桥和拱吊桥的主要承重传力结构，这些缆索结构的主要材料就是钢丝或钢丝制品。

钢丝是以盘条（线材）为原料通过拉丝及辅助工序加工生产的一种金属产品，钢丝制品包括钢丝、钢丝绳、钢绞线和其它钢丝制品，钢丝及其制品是关系到国家建设和居民生活的重要工业产品。

钢丝、钢绞线、钢丝绳的质量、品种和数量，以及国产化程度，反映着国家的钢丝制品工业技术工艺水平。

大跨度桥梁缆索结构，既长期承受桥梁负荷的动载和静载，又长期暴露在风雨、潮湿和污染空气的环境中，缆索结构容易遭受应力和腐蚀破坏。

当综合性能优异的高强度的钢丝引入桥梁建设后，加速了桥梁结构得到改进和提高，以及桥梁跨度和建设速度提高的步伐。

2．缆索结构对高强度钢丝的技术要求20年前，我国才开始建设大跨度现代斜拉桥和悬索桥，开始这些桥梁主体结构的主缆、吊索和斜拉索用的钢丝都是依靠进口，一直存在质量、价格和供货周期问题。

90年代，杨浦大桥建设过程中国内开始试制斜拉桥斜拉索钢丝(但未实桥应用)，虎门大桥建设时国内开始试制和制造悬索桥主缆钢丝。

虎门大桥和江阴大桥是同时采用进口钢丝和国产钢丝制作主缆，国产高强度钢丝边试边改快速进步，在主缆制造和架设过程中，普遍认为国产钢丝在这两个项目的使用性能明显优于进口钢丝，较快实现了缆索钢丝国产化。

十余年后，以西侯门大桥一条主缆和苏通大桥斜拉索为标志，国产盘条和缆索钢丝在强度和性能方面都达到或接近国际先进水平。

桥梁建设推动了国产盘条和钢丝技术的进步，桥梁建设推动了国产盘条和钢丝技术的进步，缆索用盘条和钢丝国产化促进了国内桥梁建设的快速发展。

2.1提高盘条质量，改进工艺，提高钢丝综合性能钢丝加工主要借助拉丝磨具在外力作用下，利用金属的可塑性使金属变形，获得需要的形状、尺寸规格和机械力学性能。

由于结构的重要性和特殊性，桥梁缆索一般要求钢丝具备高强度、耐腐蚀、塑性和韧性好等特点。

由此对盘条和加工工艺提出了较高的技术要求，国内制造缆索钢丝及钢丝制品，开始是进口盘条加工钢丝。

2000年以后开始研制国产盘条，国产盘条采用微合金技术、纯净钢冶炼技术和特殊控轧控冷技术等技术工艺，使盘条的纯净度、力学性能、金相组织等实物质量水平达到(或接近)进口优质盘条水平。

在钢丝和盘条技术工艺方面的需要进行的研究工作有：提高盘条的高强度水平和综合性能，通过微观组织设计与控制改善冷拔性能及韧性；研发盘条和钢丝加工工艺新技术和改进已有技术，以便经济、清洁和安全地生产高使用性能的盘条和钢丝；改进环保和能源消耗、延长盘条和钢丝产品使用寿命长；提高钢丝综合性能，降低适用钢丝成本。

2.2 钢丝性能要突出不同索股结构使用特点由于主缆和斜拉索结构和应用受力的区别，钢丝使用性能方面也有一定差别。

斜拉索钢丝制造工艺流程是直接应用了国际上传统的预应力热镀锌圆钢丝和钢绞线的工艺流程，基本上是比较传统和成熟的工艺：索氏体化盘条（或盘条→索氏体化处理）→表面准备→拉丝→热镀锌→稳定化处理→检验→入库。

主缆钢丝开始是借用斜拉索钢丝加工工艺，两类钢丝加工流程可在同一生产线完成，最大差别就是有无稳定化处理工序。

国内主缆钢丝为了适应主缆制索工艺的要求，特别是直线度和镀后直径、表面外观的要求，在此钢丝生产流程基础上改进利用稳定化处理工序，形成了国产主缆钢丝专门的工序。

斜拉索和主缆钢丝实际应用中就存在一定区别，在使用标准上，主缆钢丝不太强调低松弛性能（只要求Ⅰ级松弛），而斜拉索钢丝强调低松弛性能（要求Ⅱ级松弛）。

斜拉索钢丝还需要强调镦头性能，但这一技术在实践未被执行。

现在由于换索和维护困难，设计对斜拉索提出了50年以上安全使用寿命的要求，但目前斜拉索锚固是环氧填充料，而环氧材料本身是由一定有效寿命的。

一旦环氧失效，斜拉索就需要锚固钢丝镦头来承受荷载的。

这就需要钢丝镦头能独立承担锚固功能。

2.3 钢丝防护和钢丝外观腐蚀是钢丝安全使用的最大危害，防护也是钢丝加工的重要环节，热镀锌是钢丝防腐的一种重要措施。

由于镀锌钢材的“氢脆”争议，直至1992年，国际预应力联合专业委员会（F.I.P）报告，澄清了镀锌的“氢脆”疑问，镀锌桥梁钢丝的应用才被国际所认可。

近年美国后张预应力协会（PTI）才将镀锌钢丝作为斜拉索钢材纳入规范。

随着设计对缆索使用寿命要求的提高，需要研讨新的钢丝镀层和防护方法，提高耐腐蚀性能，对钢丝建立均匀一致的防护层，在表面起到保护作用。

钢丝镀层和保护层的延展性能及可变形能力要好，要与它所保护的钢丝相匹配；与钢丝钢基的粘附力要强，经得起在强力变形工艺条件下的缠绕、弯曲考验，保证镀层和保护层在正常工作状态下不龟裂不脱落。

不同的用途对钢丝的表面质量要求也是有差异的。

虎门大桥和江阴大桥缆索同时使用了国内和国外制造的主缆钢丝，国外钢丝的特点是表面较光滑、呈暗色、有一层较薄的保护膜、但直线度较差，给主缆索股制造和架设造成较大困难。

这一方面与国外钢丝制造加工工艺有关，也与进口钢丝加工仓储运输时间周期较长有关。

表层保护膜对钢丝是必要的，但对PPWS架设索股制造和架设不适应，保护膜的光滑对索股成型不利，但对保护钢丝是有利的。

国产主缆钢丝也曾因这一原因，修改过模润滑工序，消除光滑膜层对制索的不利影响。

但斜拉索钢丝仍需要强调表面光滑，因为大直径制索在目前一些生产线中钢丝牵引和成型阻力较大。

2.4镀锌钢丝和盘条的焊接点我国GB/T 17101明确“钢丝中不应存在任何形式的电接头”，因此国产钢丝一直对钢丝焊接坚持严格要求，盘条和钢丝都不允许接头。

但国外有的国家对钢丝焊接没有明确规定，有的标准也明确“钢丝不准有焊缝”。

对于主缆用钢丝，由于严禁盘条焊接，故钢丝加工前需要根据实际主缆制索钢丝长度倍尺和余量才能确定盘条订货。

每次工艺盘条接头需要在连续拉拔后及时查到和剪除，盘条从13mm拉拔到5mm后找到盘条焊点是比较麻烦的，由此大大增加钢丝加工制造成本。

基于主缆的实际使用功能和结构特点，主缆钢丝是否可以考虑接受加工过程的盘条接头，当然需要通过工艺技术改进和提高这种焊接接头的可靠性；同时允许个别索股在制造过程中个别（限定数量和控制长度距离）钢丝接头。

这样可以大大提高钢丝盘条的利用率，避免了超长索股因个别钢丝长度不足返工造成的经济损失，其经济效益将是非常显著的。

2.5钢丝的扭转和松弛指标在通过多种方法提高钢丝的抗拉强度时，有时会降低韧性。

当韧性降低时，钢丝将承受纵向裂缝，并发生层间剥离现象，这种分层变形影响钢丝综合机械性能。

松弛改变缆索长度结构，对桥梁缆索力学性能不利。

扭转和松弛指标是钢丝的重要性能，但如何在提高钢丝抗拉强度的同时保证钢丝的韧性，这涉及到钢丝成本需要综合考虑。

主缆钢丝以扭转为主，适当降低松弛标准是合适的，特别是国产钢丝规园处理起到了改进钢丝质量和降低松弛的效果的作用，对主缆钢丝的这些技术要求目前也不存在争议。

斜拉索钢丝最好能同时保证松弛和扭转性能，需要通过选用优良盘条，同时改进、钢丝加工工艺，改进稳定化处理的方法和对稳定化处理温度、张力参数控制，使生产的钢丝扭转和松弛在一定范围内都满足。

松弛指标与试验施加的预应力有关，如果盘条和钢丝加工工艺改进也难满足扭转指标，是否可以考虑适当降低松弛指标，例如考核50％～60%应力条件下的松弛（现行标准是70％应力条件），因为斜拉索和吊索目前实际使用40％应力范围以内。

目前国内有些生产线存在工艺差别，有的斜拉索钢丝热镀锌后过模减径工艺，斜拉索钢丝的扭转性能是存在争议的。

新版规定提出，钢丝扭转性能一般不作强制性规定，扭转性能要求由供需双方协商决定。

苏通大桥为实现斜拉索钢丝同时具备松弛和扭转性能进行了专题研制，试制出了国产盘条加工同时具备松弛和扭转性能的斜拉索钢丝。

3. 缆索结构对钢丝制品的技术要求缆索结构大量直接应用钢丝制品简化结构、提高工效，直接应用钢绞线、钢丝绳等钢丝制品，以及特型钢丝制造缆索结构。

3.1 对钢绞线的技术要求桥梁缆索对钢绞线的基本技术要求是抗拉强度高、低松驰、弹性模量稳定、无接头、锌层抗腐蚀性能好。

钢绞线用单根钢丝在专用设备组合捻制而成，目前应用较多的是7丝钢绞线。

7丝索股钢绞线由单根直丝作为核心以6根具有相同螺距和螺纹方向的钢丝单层绕制组成。

由于螺距相对较大，钢丝轴线对钢绞线轴线的偏角很小。

这意味着7丝索股的刚度接近直线钢丝，主要用作各种单元结构。

以前主要用途是受张拉力的桥梁预应力钢绞线结构，用于桥梁缆索主要有斜拉索、吊索、锚固索等结构。

为了提高缆索用钢绞线的防护功能，现在已经和正在开发一些新型的缆索用（或桥梁结构用）钢绞线。

已经投入使用的有：（1）桥梁斜拉索用有涂层七丝钢绞线。

它是在七丝镀锌钢绞线基础上经过涂覆建筑油脂或石蜡，再外覆HDPE制成；（2）桥梁斜拉索用环氧涂层钢绞线，采用熔结环氧粉末涂料静电喷涂工艺，是一种减少了溶剂挥发、无毒、不污染环境、节省资源的制作工艺，优越的环保性能，涂层加工过程不会造成钢丝强度性能的降低，优良的防水性能。

用于斜拉索结构的钢绞线需要注重钢绞线与锚具夹片的锚固性能，需要提高各种防护层受力后的抗开裂性。

在目前技术工艺进步，盘条、钢丝性能提高的基础上，可以考虑新型多丝大直径高强度钢绞线的研究与开发，直接应用桥梁斜拉索（吊索）结构，减少制作、架设、调整工作量，促进我国钢丝和钢丝制品行业技术创新能力的提升。

3.2 对钢丝绳的技术要求钢丝绳是在专用设备上，将配置好的钢丝按规定一次多根捻制成单股绳，然后用多个单股绳，配以钢绳芯或纤维芯等，再次合成的一种金属制品。

钢丝绳的基本原材料是优质高强度盘条制成的钢丝，一般要求较高的抗拉强度、疲劳强度和冲击韧性。

钢丝绳结构的实际数学模型涉及到许多因素，例如：钢丝绳的结构、规格、材质性能、润滑状况、捻距、捻角、速度、拉丝模结构以及设备状况等一系列因素，钢丝绳的生产工艺也会直接影响钢丝绳的性能。

桥梁缆索用钢丝绳结构是重要场合用钢丝绳，桥梁缆索钢丝绳需要具备优质钢丝的强度高，韧性、弹性好、耐磨，耐蚀和反复多次缠绕的优点，生产制造过程中具有一定的技术难度和经济附加值。

在保证吊索结构等钢丝绳柔性的同时，需要改进工艺和技术，提高捻制节距，减少钢丝绳结构的非弹性变形，开发高抗拉强度、高韧性、超长、粗直径的钢丝绳新产品。

近年国内吊索用钢丝绳在优质钢丝绳标准基础上，进行了中心股填塑钢丝绳开发，这种结构是否适应吊索结构需要慎重考虑。

实用吊索钢丝绳需要突出绳股均匀受力，外层绳股和内层不滑移，整索需要腐蚀防护等功能。

其他缆索钢丝绳也要突出结构的应用特点。

3.3对特型钢丝的技术要求我国的主缆涂料涂装防护系统基本上采用的腻子后缠绕园钢丝，然后涂装底漆、中间漆和面漆的防护方案，主缆使用的腻子能与缠丝钢丝形成铠装密水保护，现在开始使用干燥空气除湿方法来保护主缆。